Implications of ferroptosis in disease
儘管鐵死亡對生理學的貢獻仍不清楚，但它在過多的人類病理狀態中的作用已被廣泛記錄。在本節中，我們將重點關注鐵死亡在癌症和缺血再灌注損傷中的作用，這是迄今爲止研究得最好的。重要的是，鐵死亡的藥理學調節已被證明是在各種臨牀前動物模型中治療這些疾病的有前途的治療途徑。然而，鐵死亡和其他疾病之間的聯繫也出現了，如方框1所述，這表明鐵死亡細胞死亡對健康有廣泛的影響。
Ferroptosis in cancer
從該領域一開始，鐵死亡就與癌症有關:最初發現鐵死亡的化學誘導劑是尋找新的癌症治療化合物的結果。隨後的機制研究表明，許多與癌症相關的基因和信號通路調節鐵死亡，如前幾節所述。一方面，已經觀察到間充質和去分化的癌細胞，其通常對凋亡和普通治療劑具有抗性，以及所謂的“治療持續”癌細胞對鐵死亡誘導劑高度敏感。從概念上來說，由於鐵死亡是一種氧化應激誘導的細胞死亡形式，與細胞代謝密切交織，因此提出癌細胞可能更容易發生鐵死亡似乎是合理的，這是由於總體上更活躍的代謝和更高的活性氧負荷。除了這個概念之外，已經表明癌細胞通常需要高鐵供應，這可能進一步使它們對鐵死亡敏感。然而，癌細胞也可以利用額外的遺傳或表觀遺傳機制來對抗這些代謝和氧化負荷，例如SLC7A11的表達增加或抗氧化轉錄因子NRF2的上調，從而降低其對鐵死亡的易感性。因此，一種特定的癌症是對鐵死亡誘導更敏感還是更有抵抗力是由其特定的遺傳背景決定的。癌症的基因組學，以及下面討論的各種其他參數，應該被考慮用於基於鐵死亡誘導的癌症治療。
Ferroptosis sensitivity of cancer cells.
多種癌蛋白、腫瘤抑制因子和致癌信號轉導通路可以調節鐵死亡。因此，它們在癌症中的變化可以用作生物標誌物來預測癌細胞對鐵死亡誘導療法的反應性。以E-鈣粘蛋白-NF2-HIPPO-YAP途徑爲例，結合《癌症基因組圖譜》(TCGA)的數據:腫瘤抑制因子E-鈣粘蛋白功能缺失突變在乳腺小葉浸潤癌(~65%)和瀰漫性胃腺癌(~25%)等癌症中是常見事件；NF2功能缺失突變發生在>30%的間皮瘤和所有一組被稱爲NF2病的良性疾病中；類似地HIPPO成分LATS1/2腫瘤抑制因子的突變也發生在各種癌症中。雖然YAP的遺傳突變很少，但在癌症中經常觀察到它的過表達和翻譯後激活。重要的是，這些基因的惡性突變通常會驅動轉移，保護癌細胞免受凋亡，並使它們對常見的癌症治療更具抵抗力。因此，這些相同的突變使癌細胞對鐵死亡敏感的發現揭示了這些惡性細胞的不尋常的“‘ Achille’s heel”，並表明了鐵死亡誘導的獨特治療機會。這種機會對胃癌和間皮瘤特別有吸引力，這兩種疾病目前都缺乏有效的治療。除了E-鈣粘蛋白-NF2-HIPPO-YAP通路的突變之外，我們預計在不久的將來會發現更多指導鐵死亡誘導癌症治療的生物標誌物。
Potential ferroptosis-inducing anticancer therapies.
基於鐵死亡誘導的癌症療法的開發正在積極進行。在這個領域，已經測試了幾種基於納米粒子的非靶向策略，以釋放鐵、過氧化物和其他有毒物質來殺死腫瘤細胞。此外，控制鐵死亡的多種酶的存在使得靶向方法的開發成爲可能。也許最明顯的目標是GPX4，因爲它在大多數癌細胞系中表達，對它們的存活至關重要。GPX4缺乏經典的小分子結合pocket，可用的GPX4抑制劑共價修飾GPX4的硒代半胱氨酸殘基以及其他硒蛋白，這提出了特異性和潛在毒性的問題。這些抑制劑也是高度反應性的，因此不穩定，但這可以通過開發可在細胞內代謝轉化爲活性形式的掩蔽前藥來克服。儘管如此，主要的警告仍然是GPX4對於各種外周組織是必不可少的，例如腎小管細胞和小鼠中的某些神經元亞羣，因此靶向GPX4可能會導致實質性的副作用，除非治療劑可以特異性地輸送到腫瘤細胞。
與靶向GPX4不同，通過抑制系統xc來限制細胞半胱氨酸可用性的方法非常有希望，因爲小鼠Slc7a11敲除不會導致主要病理生理改變，並且SLC3A2和/或SLC7A11的表達與黑色素瘤和膠質瘤患者的臨牀結果呈負相關。事實上，通過抑制xc系統來抑制各種類型癌症中的腫瘤生長和腫瘤轉移的研究——無論是藥理學上的還是遺傳學上的——在小鼠模型中提供了非常有希望的結果，顯示出有效性和低毒性。與正常組織相比，各種腫瘤對系統xc-抑制的脆弱性更高，這可能是由於腫瘤細胞中更活躍的代謝和其他變化，使它們對持續的氧化應激更主觀，因此更依賴系統xc-功能來解毒活性氧。顯然，爲了應用基於系統xc–抑制的療法，需要對患者腫瘤組織進行仔細的分層，以檢查系統xc–表達(例如，SLC7A11過表達可能表明癌細胞對胱氨酸成癮，以清除ROS)和其他生物標誌物，這些生物標誌物決定了腫瘤對系統xc–抑制的敏感性。
與Slc7a11的缺失類似，Fsp1的敲除不會導致胚胎死亡或明顯的病理生理過程，這表明針對FSP1的治療窗很寬。此外，FSP1在大量癌細胞系中大量表達，並且是860個癌細胞系82中與對GPX4抑制劑的抗性相關的最高等級的基因。缺乏GPX4的癌細胞可以被FSP1特異性抑制劑iFSP1有效殺死，而在充足GPX4的癌細胞中，iFSP1與RSL3協同誘導鐵死亡。因此，FSP1抑制劑可能會進入臨牀，特別是對治療耐藥的腫瘤或表現出去分化特徵的腫瘤。
鐵死亡誘導治療也可以與其他治療方法結合，免疫檢查點阻斷和放射治療是潛在的選擇。將免疫檢查點阻斷與其他療法相結合已經得到積極的研究。一個基本原理是，這些其他療法可以在腫瘤組織中誘導免疫原性細胞死亡，以增強免疫檢查點阻斷的效力。有趣的是，最近有證據表明，用抗PD-L1抗體進行免疫檢查點阻斷治療可以增強鐵死亡誘導治療。具體來說，抗PD-L1抗體刺激CD8+ T細胞分泌IFNγ，如上所述，這抑制了靶癌細胞中的系統xc-活性，從而使它們對鐵死亡敏感。因此，免疫療法與鐵死亡誘導相結合是一種有前途的治療方法，因爲這兩種治療方式相互增強，導致協同的抗癌效果。關於輻射，最近的證據表明，它可以單獨誘導鐵死亡，也可以與鐵死亡誘導劑和免疫療法協同作用，提供潛在有效的治療組合區域。在細胞死亡、脂質過氧化、與鐵死亡相關的基因表達變化和脂質組學變化的水平上，以及在細胞系和患者來源的異種移植癌模型和新分離的患者神經膠質瘤切片培養物中觀察到這種敏化效應。此外，發現細胞質輻射而非細胞核輻射與鐵死亡誘導劑協同作用，這表明在這些治療方案中，輻射通過其消耗谷胱甘肽和誘導脂質過氧化的作用而不是其典型的DNA損傷效應來促進細胞死亡。通過放射治療和免疫治療的結合，也提高了對鐵死亡的敏感性。在這種情況下，輻射與免疫療法協同下調SLC7A11，由DNA損傷激活激酶ATM和IFNγ介導。最後，輻射已被證明可上調癌症中的ACSL4，導致脂質過氧化和鐵死亡敏感性升高。這裏涉及的機制尚不清楚，但可能涉及介導輻射反應和鐵死亡的轉錄調節因子的激活，如p53和BAP1。因此，輻射的鐵死亡效應可能是由多種機制介導的，並且可能依賴於環境。值得注意的是，鐵死亡被認爲是一些輻射不良事件的原因，如肺纖維化和粒細胞-巨噬細胞造血祖細胞的死亡。
Ferroptosis in ischaemic damage
缺血後再灌注可導致受影響器官的大量細胞死亡和炎症反應，導致毀滅性疾病，包括腦中風、缺血性心臟病和肝、腎損傷。值得注意的是，缺血性心臟病仍然是全世界死亡率最高的疾病。強有力的證據表明，鐵死亡是與缺血-再灌注損傷相關的細胞死亡的主要原因，至少部分是由於缺血誘導的氧化應激。這些發現表明抑制鐵死亡是治療缺血性損傷相關疾病的潛在治療方法。
Contribution to ischaemic cell death in the brain and the heart.
多項研究已經確定了鐵死亡在神經元死亡中的作用，包括中風和其他腦損傷。使用大鼠海馬切片培養的離體實驗表明，穀氨酸誘導的神經元興奮毒性細胞死亡可以被自由基捕獲抗氧化劑ferrostatin1阻斷(ReF.1)。由於穀氨酸誘導的神經毒性與中風和各種神經退行性疾病有關，並且高濃度的細胞外穀氨酸可通過抑制系統xc功能誘導鐵死亡，鐵死亡可能是這些腦疾病的發病機制之一。一直以來，對小鼠的遺傳學研究證實，條件性Gpx4缺失可導致類似神經退化的症狀。此外，鐵螯合劑和親脂性自由基捕獲抗氧化劑已經在不同的實驗系統中被測試用於減輕中風和神經退化。
鐵死亡在缺血性心臟病中的作用也被廣泛研究。在模擬小鼠心臟缺血-再灌注損傷的離體系統中，已經表明鐵螯合劑和谷氨醯胺解酶抑制劑顯著減輕了心肌細胞死亡，減少了心臟組織的損傷並改善了其功能，表明了鐵死亡靶向治療缺血性心臟病的潛在治療價值。最近，一項體內小鼠模型研究進一步證實了這一觀點。
爲了設計可行的針對缺鐵性貧血的療法來治療中風和缺血性心臟損傷等致命疾病，需要考慮許多重要因素。例如，這兩種疾病都可能非常嚴重，只允許很短的干預時間窗；因此，是否可以及時應用鐵死亡靶向治療，從而足夠迅速地發揮作用？此外，由於有多種鐵死亡監測途徑，缺血再灌注可能通過選擇性破壞其中一種監測途徑在不同器官中誘導鐵死亡，我們能否開發出特異性鐵死亡抑制劑，既能有效治療某種疾病，又能對其他器官產生最小的副作用？
Roles in ischaemia–reperfusion injury associated with organ transplantation.
除了大腦，也許腎臟是成年哺乳動物中對鐵死亡最敏感的器官；近端腎小管細胞的存活取決於功能性GPX4，這些細胞在缺血-再灌注情況下易發生細胞死亡，這是腎移植的常見併發症。一直以來，鐵調抑制劑在小鼠缺血-再灌注損傷模型、誘導性全身Gpx4缺失的遺傳模型和葉酸誘導的急性腎損傷模型中均可減輕腎小管細胞死亡和急性腎衰竭。這些研究還表明，由於這種細胞死亡的促炎性質，鐵死亡導致先天免疫系統的激活，這可能通過介導移植排斥進一步損害移植的成功。另一個經常移植的器官是肝臟。GPX4肝細胞特異性消融的小鼠新生時死亡，而高膳食維生素E可以彌補肝臟Gpx4的缺乏。此外，自由基捕獲抗氧化劑的使用保護肝實質免受缺血-再灌注損傷。最後，鐵死亡也與心臟移植有關。總之，鐵死亡抑制劑可能是支持各種器官移植成功的有效藥物。
Potential targets for blocking ferroptosis in ischaemia–reperfusion injury.
鐵死亡網絡中有幾個潛在的治療干預點，儘管每個干預點都有其自身的風險和成功情況。鑑於鐵死亡是由磷脂過氧化作用驅動的，一種策略是引入防止過氧化過程的試劑，例如，通過施用親脂性自由基捕獲抗氧化劑，如liproxstatin 1，防止脂質過氧自由基的增多。這些藥物在鐵死亡的細胞模型中非常有效，在一些體內環境中也是有效的。在考慮進行人體試驗之前，它們的藥理特性需要進一步改善。一種相關的方法是施用化學上抗過氧化的多不飽和脂肪酸，例如通過在通常容易過氧化的雙烯丙基碳上摻入氘。這種氘化多不飽和脂肪酸已被證明是鐵死亡和各種慢性鐵死亡相關退行性疾病的有效抑制劑，儘管其效力低於鐵抑制素1和liproxstatin 1。類似地，單不飽和脂肪酸的供應已被證明可抑制鐵死亡，並可作爲一種潛在的治療方法。
阻斷脂質過氧化的第二種策略是消耗不穩定的鐵庫，例如通過使用鐵螯合劑，或者抑制驅動脂質過氧化的酶。已經在許多臨牀適應症中探索了鐵螯合劑，但是由於這些試劑潛在的非靶效應，更重要的是，鐵的基本生物功能，鐵螯合劑存在安全問題。負責產生PUFA-PLs和PLOOHs的靶向酶，如ACSL4、LPCAT3、LOXs和POR，可能是可行的，並且作爲確定的分子靶標，從以靶標爲中心的藥物發現的角度來看，它們是優選的。然而，它們在各種組織中也有其他功能，使潛在的治療結果複雜化。